JP5158682B2 - 発電制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、発電制御装置に関し、特に、エンジン発電機の出力電流をエンジンのフリクションが小さい予定領域でのみバッテリや負荷に供給するように制御する発電制御装置に関する。

自動二輪車や四輪自動車等、エンジンで駆動される車両は、エンジンで駆動される発電機を備え、車両での使用電力を供給するバッテリは、この発電機の出力電流で充電される。また、一般に、車載発電機はエンジン始動用モータに兼用される。

車載発電機による発電量はエンジンの負荷に応じて可変制御されることが知られている。例えば、特表平３−５０４４０７号公報には、バッテリ電圧が所定レベルに達した場合に発電機能を停止させる交流発電機式バッテリ充電方法において、エンジンに重い負荷が掛かっている場合には、所定レベルにまでバッテリが充電されていなくても交流発電機の発電機能を停止または低減させることにより、エンジンの効率低下の防止を図るバッテリ充電方法が提案されている。

また、特開平３−２１２２００号公報には、電気負荷状態や、自動車に適用した場合の自動車の運転状態に応じて界磁巻線電流を制御する装置において、ノック発生時に発電機の界磁電流を制御したり、界磁電流を停止したりする制御装置が提案されている。
特表平３−５０４４０７号公報 特開平３−２１２２００号公報

特許文献１や２に記載された従来の発電制御装置または充電制御装置では、負荷が大きい場合には発電量を制限してエンジンの負荷を軽減できる。一方、４サイクルエンジンでは、各サイクル（行程）によってフリクション（エンジンが作動中に、エンジンの機能上、ピストンが移動する方向と反対方向に作用する力）が異なるので、このフリクションを考慮しないで、単にエンジン全体に掛かる負荷状態のみで発電量を制御したとしても行程間のフリクションの違いによるトルク変動を軽減することが困難である。

特に、エンジンが低回転数域で運転されている場合は、全体に出力トルクが小さいので、発電量を制限したとしても各行程間のフリクションの違いによるトルク変動でエンジン回転が円滑さを欠く場合がありえる。つまり、一般的な負荷状態のみに依存して発電量を制御してもエンジン回転の円滑さを大きくは改善できない場合がある。

本発明の目的は、各行程のフリクションを考慮して発電量を制御することにより、特に低回転数域でのトルクの平滑化を図ることができる発電制御装置を提供することにある。

前記目的を達成するための本発明は、４サイクルエンジンで駆動される発電機の発電制御装置において、発電機の出力電流を制御するスイッチング回路と、前記スイッチング回路を、エンジンの４サイクル中の予め設定した発電期間でのみ作動させる発電期間制御手段とを具備し、前記発電期間がエンジンの４サイクルのうち、爆発サイクルから吸入サイクルまでの間に設定されている点に第１の特徴がある。

また、本発明は、前記発電期間は、エンジン回転数に応じて、エンジン回転数が低いほど爆発サイクル側へ移行し、短縮されるように設定されている点に第２の特徴がある。

また、本発明は、前記発電期間が、予め設定したアイドル回転数とアイドル回転数より高い値に設定された充電開始回転数との間でのみ有効とされ、前記充電開始回転数以上のエンジン回転数領域では、４サイクルの全てで前記スイッチング回路を作動させ、全サイクルで発電制御を行うように構成された点に第３の特徴がある。

さらに、本発明は、前記発電機が、その出力電流で充電されるバッテリに接続されて使用されるものであり、前記スイッチング回路が、所定のレギュレート電圧に前記バッテリの端子電圧を収斂させるように決定されたデューティに従って駆動される点に第４の特徴がある。

第１の特徴を有する本発明によれば、フリクションの小さい爆発サイクルから吸入サイクルまでの間に設定された発電期間でのみ発電されて発電による負荷がエンジン自体のフリクションに加わる。したがって、フリクションが大きい他のサイクルとの間でトルクの均衡化が図られ、吸気効率が安定する。

第２の特徴を有する本発明によれば、エンジン回転数が低い領域であるほど、発電期間が短縮される。特に、フリクションがより小さい爆発サイクル側で発電が行われるので、発電負荷の影響を最小化しつつ最低限の発電を行うことができる。また、最低限の発電を行うことにより燃費の向上も図られる。

第３の特徴を有する本発明によれば、発電期間の制限をアイドル回転数から充電開始回転数の間、つまり比較的低回転数の領域で行うので、特にトルクの小さい低回転数領域で、全サイクルを通じて発電を行う場合と比べて、発電による負荷の増大を抑制することができるので、低回転数域でのエンジン回転が安定化する。

第４の特徴を有する本発明によれば、発電電力をバッテリに供給するシステムにおいて、所定のレギュレート電圧を基準にバッテリの充電制御を行うことができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。図１は、本発明の発電制御装置の一実施形態に係る充電制御装置のシステム構成を示す図である。

図１において、発電機１はインナロータ２とアウタステータ３とからなり、インナロータ２は４サイクルエンジン４のクランク軸５の一端に連結されている。アウタステータ３は３相出力巻線６を有していて、３相出力巻線６は、スイッチング回路７の入力側に接続されている。スイッチング回路７の出力側は、バッテリ８および負荷９に接続されている。スイッチング回路７は６個のＦＥＴ７１、７２、７３、７４、７５、７６からなる３相ブリッジ回路である。スイッチング回路７のＦＥＴ７１〜７６の通電位相を変化させてデューティ制御を行う出力制御装置としてのＦＥＴドライバ１０が設けられる。

発電機１のインナロータ２には、周方向に所定数の磁極が配置されたセンサマグネット１１が設けられている。隣接する磁極同士は互いに極性が異なる。センサマグネット１１の周面には、クランク角センサ１２が配置されている。クランク角センサ１２は複数の磁電変換素子（ホール素子）からなる。本実施形態では、センサマグネット１１の磁極は８極であり、つまり４５°間隔で磁極が配置されている。そして、クランク角センサ１２は１５°間隔で配置された３つのホール素子からなり、それぞれのホール素子が順次１５°間隔で検出信号（以下、「ピッチ信号」と呼ぶ））を出力する。このホール素子の検出信号はＦＥＴドライバ１０に入力される。

上記構成により、ＦＥＴドライバ１０は、エンジン回転数に応じて、４サイクル中の予め決定されているフリクションが小さい区間でスイッチング制御をしてバッテリ８および負荷９に電流Ｉを供給する。

まず、図２を参照して本実施形態の充電制御の概要を説明する。図２は横軸にクランク角α、縦軸にエンジン回転数Ｎｅをとっている。横軸に示すように、クランク角センサ１２の出力に対応して１５°間隔で目盛りが表示されている。この目盛りの左端が圧縮上死点（トップ位置）であり、エンジン４が回転すると、このトップ位置を始点として１８０°間隔で、爆発行程、排気行程、吸入行程、および圧縮行程が順に繰り返される。

そして、この目盛りに対応させて表示している充電期間つまり発電期間はエンジン回転数Ｎｅに応じて異なっている。エンジン回転数Ｎｅに応じて充電期間Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、およびＥが設定される。充電期間Ａは爆発行程の初期から排気行程の初期までの範囲（クランク角３０°〜２１０°）に設定され、充電期間Ｂは、充電期間Ａからやや進んだ範囲（クランク角４５°〜２４０°）に設定される。充電期間Ｃは爆発行程の中程から排気行程の終端までの範囲（クランク角９０°〜３６０°）に設定される。また、充電期間Ｄは爆発行程の中程から吸入行程の終端までの範囲（クランク角９０°〜５４０°）に設定される。つまり、エンジン回転数Ｎｅが予め設定したアイドル回転数ＮｅＩＤから、アイドル回転数ＮｅＩＤより高い値に予め設定した通常充電開始回転数ＮｅＣＨまでの間では、全行程のうち爆発行程を始点とする限定された範囲でのみ充電が行われる。そして、通常充電開始回転数ＮｅＣＨより高いエンジン回転数域では、エンジンの全行程で負荷状態や、バッテリ電圧に応じて充電制御される。

爆発行程はエンジンの爆発により最大のトルクが得られる領域であり、発電による負荷が加わってもエンジン回転が不安定になるおそれが少ない。一方、圧縮行程ではフリクションが大きく、トルクが小さいので、発電による負荷はエンジン回転に与える影響が大きい。この実施形態では、エンジン回転数Ｎｅが通常充電開始回転数ＮｅＣＨ以下では、発電による負荷の影響が大きい圧縮行程では充電を停止し、発電による負荷の影響が小さい爆発行程ないし吸入行程でのみ充電を行う。

図３は、発電機１の基本出力特性を示す図であり、横軸にエンジン回転数Ｎｅ、縦軸に出力電流Ｉをとっている。この図において、エンジン始動後、エンジン回転数Ｎｅがアイドル開始回転数ＮｅＩＤに到達した時点で充電を開始する。しかし、ここでの充電は、全行程で充電を行う通常充電ではなく、図２に関して説明した所定の充電期間のみで充電を行うもの（「周期充電」呼ぶ）である。そして、エンジン回転数Ｎｅが通常充電開始回転数ＮｅＣＨに到達した時点で、周期充電を終了し、エンジンの全行程で負荷状態やバッテリ電圧に基づいて充電量を制御する。つまり、アイドル回転数ＮｅＩＤから通常充電開始回転数ＮｅＣＨまでの回転数域は周期充電領域であり、通常充電開始回転数ＮｅＣＨ以上の回転数域は通常充電領域である。

図４は、ＦＥＴドライバ１０の要部機能を示すブロック図である。図４において、ＦＥＴドライバ１０は、充電期間制御ブロック１０１と、レギュレート電圧制御ブロック１０２と、ディーティ設定部１０３と、アンドゲート１０４とからなる。

充電期間制御ブロック１０１は、機械角カウンタ１３、上死点検出部１４、クランク角検出部１５、エンジン回転数検出部１６、充電期間記憶部１７、および充電期間判定部１８からなる。

機械角カウンタ１３は、１５°間隔で入力されるピッチ信号を計数する第１カウンタ１３１と、ピッチ信号を６個計数する毎にカウンタ値がインクリメント（＋１）される第２カウンタ１３２とからなる。つまり、第２カウンタ１３２のカウンタ値は機械角９０°毎に増加する。第２カウンタ１３２は初期値が「０」で最大値が「７」である。したがって、機械角７２０°、つまりエンジン４の４サイクル周期でカウンタ値は循環する。

上死点検出部１４は、第２カウンタ１３２のカウンタ値が「０」の位置を圧縮上死点として決定する。但し、第２カウンタ１３２のカウンタ値のみでは、圧縮上死点位置は不明であるので、この例では、外部からの信号とのアンド（ＡＮＤ）で上死点を確定する。外部からの信号として、例えば、燃料噴射制御で燃料噴射タイミングを決定するＦＩ信号を使用できる。ＦＩ信号は燃料を噴射するため圧縮上死点近傍の所定範囲で出力される。そこで、このＦＩ信号の出力期間内で第２カウンタのカウンタ値のインクリメントが検出されたならば、そのカウンタ値のインクリメントのタイミングが圧縮上死点であると確定する。圧縮上死点が確定されたならば、第２カウンタ１３２のカウンタ値を「０」にリセットする。

クランク角検出部１５は、機械角カウンタ１３の第２カウンタ１３２からのカウンタ値とピッチ信号とによって圧縮上死点を基準とするクランク角を検出する。例えば、カウンタ値「０」が入力された時からピッチ信号が３つ入力されれば、クランク角は４５°（０°＋１５°×３＝４５°）であり、例えば、カウンタ値「２」からピッチ信号が４つ入力されれば、クランク角２４０°（９０°×２＋１５°×４＝２４０°）である。

エンジン回転数検出部１６はピッチ信号の周期を監視し、この周期によってエンジン回転数Ｎｅを検出する。充電期間記憶部１７は、前記充電期間Ａ〜Ｅとエンジン回転数Ｎｅとの対応関係テーブルを予め記憶している。充電期間は１５°単位で設定される。充電期間記憶部１７はエンジン回転数Ｎｅが入力されると、そのエンジン回転数Ｎｅに対応する充電期間を示すデータを充電期間判定部１８に入力する。充電期間判定部１８は、クランク角と充電期間とを比較し、クランク角が充電期間内である場合に充電制御信号を出力する。

レギュレート電圧制御ブロック１０２は、レギュレート電圧検出部１９、レギュレート電圧設定部２０、電圧比較部２１、およびデューティ増減部２２からなる。レギュレート電圧設定部２０には、予めレギュレート電圧設定値Ｖｒｅｆが予め記憶されている。レギュレート電圧設定値Ｖｒｅｆは規定のバッテリ電圧値１４．５ボルトとする。レギュレート電圧検出部１９は、現在のバッテリ電圧Ｖｂをレギュレート電圧として検出し、電圧比較部２１に入力する。電圧比較部２１では、レギュレート電圧設定値Ｖｒｅｆと検出電圧値Ｖｂとの大小比較を行い、その結果をデューティ増減部２２に入力する。

デューティ増減部２２は入力された両値（Ｖｒｅｆ、Ｖｂ）の大小に応じてＦＥＴのデューティを変化させる。つまり、レギュレート電圧設定値Ｖｒｅｆより検出電圧値Ｖｂが小さいときは、デューティを大きくし、レギュレート電圧設定値Ｖｒｅｆより検出電圧値Ｖｂが大きいときは、デューティを小さくするデューティ増減信号を出力する。なお、デューティの増減量は一定値であってもよいし、レギュレート電圧設定値Ｖｒｅｆに対する検出電圧値Ｖｂの偏差の大きさによって、偏差が大きい場合は１回のデューティ増減量を大きくし、偏差が小さい場合は１回のデューティ増減量を小さくしてもよい。デューティ増減信号はデューティ設定部１０３に入力される。デューティ設定部１０３は、増減されたデューティとスイッチング回路７の駆動指令とをアンドゲート１０４に入力する。

一方、充電期間判定部１８からの充電制御信号はアンドゲート１０４にゲート信号として入力される。したがって、充電制御信号がオンの間、デューティ設定部１０３から出力されるデューティとスイッチング回路７の駆動指令とがスイッチング回路７に入力される。スイッチング回路７はデューティ設定部１０３から出力される駆動信号に応答して駆動され、ＦＥＴ７１〜７６のうち、予定のＦＥＴが所定のスイッチングパターンに従って、入力されるデューティに応じた位相の間オンになる。そして、このＦＥＴのオンの間、発電機１の３相出力巻線６に生じた電流がバッテリ８および負荷９に供給される。

図５はクランク角センサ１２とセンサマグネット１１の位置関係を示す模式図である。図５に示すように、センサマグネット１１はリング状の永久磁石からなり、４５°間隔でＮ極（Ｎ）とＳ極（Ｓ）とが交互に配列されるように設定されている。クランク角センサ１２はセンサマグネット１１の外周面に対向配置された３つのホール素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃからなる。ホール素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃは互いに１５°間隔で配置されており、これらホール素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃの出力はオアゲート２５を介して前記第１カウンタ１３１に入力される。つまりセンサマグネット１１とホール素子１２ａ等との位置関係によって１５°間隔のピッチ信号が形成される。

図６は、上死点検出部１４の作用を説明する模式図である。図６において、ピッチ信号が６個検出される毎（つまり機械角９０°毎）に前記第２カウンタ１３２カウンタ値が「０」〜「７」のサイクルで循環する。そして、ＦＩ信号が出力されている期間に対応しているカウンタ値が「０」にリセットされる。

つまり、図６の上段に示したリセット前の仮のカウンタ値は、中段に示したＦＩ信号とのアンドをとった結果、下段のように確定される。その結果、カウンタ値０〜２が爆発行程、カウンタ値２〜４が排気行程、カウンタ値４〜６が吸入行程、カウンタ値６〜８が圧縮行程として確定される。

スイッチング回路７は、ＦＥＴ７１〜７６を所定のスイッチングパターンでスイッチングして、発電機１による発電電流を直流に変換する。低エンジン回転数域で充電期間Ａ〜Ｄ以外は充電をしないために、充電時間Ａ〜Ｄ以外の時間帯に予めマスキングパターンを設定し、マスキングパターン時にはＦＥＴ７１〜７６はすべてオフにすることにより発電機１の出力を停止させる。

なお、上述のようにエンジンの行程によって充電電流を変化させているので、バッテリ電圧は変動する。そこで、レギュレート電圧検出部１９では、各行程でバッテリ電圧を複数回読み込み、その平均値をバッテリ電圧（レギュレート電圧）として検出する。そして、この平均値には、充電期間Ａ〜Ｅに応じて重み付けを行うことができる。つまり、全行程のうち充電期間Ａ〜Ｄでのみ充電を行っている場合は、１．０未満の係数を乗じ、全行程（充電期間Ｅ）で充電を行っている場合は、係数１．０を乗じる。

なお、上死点検出部１４では、機械角９０°毎の、仮のカウンタ値をＦＩ信号とのアンド演算に基づいて確定したカウンタ値とすることにより、上死点を検出した。しかし、これに限らず、機械角９０°毎のエンジン回転数の平均値をとり、全行程中でこの平均値の差が最大となったところをカウンタ値「０」すなわち上死点として確定するようにしてもよい。これは、ＦＩ信号が得られないキャブレータ付きエンジンに好適である。

なお、本実施形態では、エンジンの行程を検出して、フリクションが小さいとされる予定の領域を充電期間とした。しかし、フリクションの小さい領域に充電期間を設定するだけではなく、負荷状態を考慮して充電期間を可変としても良い。例えば、圧縮行程前の予定領域でのクランク角速度を検出し、その検出結果により、クランク角速度が基準値より小さい場合には、負荷が大きいと判断して充電期間を短くする。例えば、エンジン回転数により、充電期間がＤと設定されていても、負荷が大きいと判断された場合は、充電期間を吸入行程まで延ばさず、排気行程までとする。つまり充電期間をＣとする。また、エンジン回転数により、充電期間がＣと設定されていても、負荷が大きいと判断された場合は、充電期間を排気行程の終わり付近まで延ばさず、排気行程の初期範囲までとする。つまり充電期間ＡまたはＢとする。

本発明の一実施形態に係る充電制御装置のシステム構成図である。 本発明の一実施形態に係るエンジン回転数と充電期間との関係を示す図である。 発電機の出力特性図である。 ＦＥＴドライバの要部機能を示すブロック図である。 クランク角センサ１２とセンサマグネット１１の位置関係を示す模式図である。 上死点検出部１４の作用を説明する模式図である。

符号の説明

１…発電機、 ４…エンジン、 ６…３相出力巻線、 ７…スイッチング回路、 ８…バッテリ、 １０…ＦＥＴドライバ、 １２…クランク角センサ、 １３…機械角カウンタ、 １０１…充電期間制御ブロック、 １０２…レギュレート電圧制御ブロック

Claims (3)

1. ４サイクルエンジンで駆動される発電機の発電制御装置において、
   発電機の出力電流を制御するスイッチング回路と、
   前記スイッチング回路を、エンジンの４サイクル中の予め設定した発電期間でのみ作動させる発電期間制御手段とを具備し、
   前記発電期間が、エンジンの４サイクルのうち、爆発サイクルから吸入サイクルまでの間のみに設定されており、かつ、予め設定したアイドル回転数とアイドル回転数より高い値に設定された充電開始回転数との間でのみ有効とされ、
   前記充電開始回転数以上のエンジン回転数領域では、４サイクルの全てで前記スイッチング回路を作動させ、全サイクルで発電制御を行うように構成されているとともに、
   前記発電機が、その出力電流で充電されるバッテリに接続されて使用されるものであり、
   前記スイッチング回路が、所定のレギュレート電圧に前記バッテリの端子電圧を収斂させるように決定されたデューティに従って駆動されることを特徴とする発電制御装置。
2. 前記発電期間は、エンジン回転数に応じて、エンジン回転数が低いほど爆発サイクル側へ移行し、短縮されるように設定されていることを特徴とする請求項１記載の発電制御装置。
3. 前記バッテリの端子電圧が平均値として検出され、
   エンジンの回転数領域が充電開始回転数未満の場合は、前記平均値に１．０未満の係数を乗じ、エンジンの回転数領域が充電開始回転数以上の場合は、前記平均値に係数１．０を乗じる重み付けを行うことを特徴とする請求項１または２記載の発電制御装置。

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